Mise à jour 21 Décembre 2014
CONFÉRENCE Collège de France
«LEÇON INAUGURALE DE LA CHAIRE « GALAXIES ET COSMOLOGIE »
LA MATIÈRE NOIRE.
Par Françoise COMBES Astronome Observatoire de Paris
Au collège de France.
Le Jeudi 18 Décembre 2014 à 18H00 Amphithéâtre Marguerite de Navarre
Photos : D Baudvin pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.
Textes basés sur les notes de Xavier Colas de la Moue, merci à lui.
La conférencière a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle :
Combes-Lecon-inaug-18dec14 .pdf, elle est dans le dossier « F Combes Leçon Inaugurale déc. 2014. ».
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
L
Un auditoire de plus de 1000 personnes !
Après une introduction de Serge Haroche, Prix Nobel de Physique 2012, qui a fait l’historique de l’évolution de notre pensée sur le sujet traité, il passe la parole à la nouvelle professeur de la chaire Galaxies et Cosmologie, François Combes.
Françoise Combes, est ancienne élève de l'École normale supérieure (ENS, Paris), agrégée de sciences physiques (1975), et docteur d’État en Astrophysique (1980).
Elle a été Astronome à l'Observatoire de Paris (1989-2014). Elle a été présidente de la Société française d'Astronomie et d'Astrophysique (2002-2004) et a dirigé le Programme national Galaxies du CNRS (2001-2008).
Elle est présidente du Cofusi (Comité français des unions scientifiques internationales) depuis le 3 janvier 2010, et membre de l’académie des sciences depuis 2004. Elle est depuis 2003 éditeur de la revue européenne Astronomy & Astrophysics.
Ce soir c’est la leçon inaugurale de sa chaire cosmologie et galaxies
Voir le programme de ses cours à la fin de ce CR.
Le sujet de ce soir : la matière noire.
La matière noire est étudiée surtout depuis 10 ans, c’est un sujet un peu fourre-tout.
C’est en 1937, l’astrophysicien d’origine suisse, Fritz Zwicky, qui le premier met le doigt sur l’existence d’une matière invisible tournant autour des galaxies. Grâce à la raie de 21cm de l’Hydrogène, on a pu en effet mesurer la vitesse de rotation des étoiles à différentes distances du centre de leurs galaxies.
C’est comme cela que l’on s’est rendu compte, que seule la matière visible ne suffisait pas à maintenir la cohésion de la galaxie, il devait exister une matière invisible présente assurant suffisamment de gravité pour que ces galaxies ne se désintègrent pas.
La masse de cette matière invisible devrait être beaucoup plus importante (x6) que celle de la matière visible.
Puis un grand silence sur ce sujet pendant des années et ce n’est qu’en 1984 que l’on commence à imaginer cette matière noire comme étant une matière exotique.
Mais on n’a aucune idée des particules qui pourraient constituer cette matière noire.
Sont-ce des neutrinos ? On sait qu’ils ont une masse très faible (de l’ordre de 1 eV). Et cela rend cette hypothèse difficile.
Par contre on sait qu’il faut de la matière noire pour fabriquer des galaxies dans un univers de moins en moins dense.
Sans matière noire, pas de bras ni de barre.
On pense à plusieurs sortes de matière noire :
· Matière noire froide : la matière forme des
filaments bien distincts
· Matière noire tiède : filaments flous
· Matière noire chaude : filaments peu
nombreux et flous.
La composition de l’Univers :
La composition actuelle de l’Univers telle qu’on l’imagine est :
· Énergie noire : 70%
· Matière noire : 25%
· Matière baryonique : 5%
Crédit : Wikimedia. Azcolvin429
Mais au niveau des galaxies (de la matière ordinaire donc) :
· Étoiles : 6%
· Gaz : 3%
· Lyman alpha : 18%
· WHIM (warm–hot intergalactic medium) : 5 à
10% (plasma de baryons entre les galaxies)
· Reste : 65% inconnu ?
Quelques pistes sur la matière noire :
· Une étoile ratée non lumineuse. Expériences
encours : Macho , OGLE, objets compacts
· Hydrogène froid donc non lumineux, mais
trop faible quantité
Détection de la matière noire par effet de lentilles gravitationnelles.
Ces lentilles (une des conséquences de la relativité générale d'Einstein), qui sont des accumulations de matière invisible, situées entre des galaxies lointaines et nous, jouent le rôle d'une véritable lentille optique, donnant lieu à toutes sortes d'images en fonction des types de galaxies, positions et masse de matière.
Notamment des mirages ou des anneaux d'Einstein.
C'est un outil qui nous permet de cartographier la distribution de matière noire sur d’immenses fractions du ciel
Il existe aussi une autre version de ces lentilles gravitationnelles, c'est le cisaillement cosmique (cosmic shear) ou le weak lensing, ce qui nous est expliqué lors de cette conférence de Y Mellier à la SAF.
L'amas du boulet (bullet cluster) semble être la preuve évidente de la présence de matière noire. (Voir diapo ci-contre)
Les gaz chauds détectés par Chandra dans le domaine des rayons X apparaissent en rose sur la photo et contiennent la plupart de la matière normale ou baryonique des deux amas.
Le nuage bleu sur la droite en forme de balle de fusil (d'où le nom de bullet cluster) est le gaz chaud d'un des amas qui est passé au travers des gaz chauds de l'autre amas pendant la collision, de même pour le nuage bleu de gauche. On a donc pu imager des zones de matière baryonique et de matière noire.
(
Photo : NASA/CXC)
Cet amas est composé principalement de matière noire et sa formation résulte de la collision de deux énormes amas de galaxies.
La matière noire n’interagit pas avec la matière ordinaire, ni avec elle-même ; elle n’est sensible qu’à la gravité.
Pour les mathématiciens, c’est un fluide sans collision, facile à modéliser avec des ordinateurs puissants.
Comme la Simulation Millennium du MPE qui comporte 10 milliards de Particules.
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
Les problèmes du modèle standard.
Avec le modèle standard, on devrait détecter une très forte concentration de matière au centre même des galaxies (cuspides), mais on ne la détecte pas en réalité quand on étudie le ciel. On a l'impression que la matière noire se détruit elle même quand elle est en quantité trop grande. C'est le problème des cuspides.
Il prédit aussi de nombreuses galaxies satellites autour des galaxies, que l’on n’observe pas non plus.
Alors ??
Qu’en déduit-on sur la nature de la matière noire ? Quelles sont les hypothèses les plus sérieuses ?
Il y a beaucoup de candidats comme on le voit sur la diapo ci-contre.
Le candidat favori pour la matière noire est le neutralino.
Cette particule hypothétique est neutre, 100 fois plus lourde que le proton et interagit très faiblement avec la matière ordinaire.
Par conséquent cette particule est aussi souvent appelée un WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).
La matière noire pourrait correspondre à ces particules Wimps de masse de l’ordre de 100 Gev.
Mais on n’a pas encore pu les détecter.
D’ailleurs il existe de nombreuses limitations de détection.
Mais comme nous dit notre oratrice : Attraper un chat noir dans l’obscurité la nuit, est très difficile, surtout s’il n’y a pas de chat !
Me Combes croit plutôt parmi toutes ces théories à la théorie MOND.
C’est une modification de la loi de la gravitation de Newton.
Avec MOND, par exemple, on garde la loi de Newton lorsque la force de gravité est supérieure à une valeur limite.
Mais si elle est inférieure (à 1,2 10-10 m/s2), on passe en gravité modifiée.
Dans notre système solaire, par exemple, cette limite de gravité se situe aux alentours de 8000 UA!
Cette théorie repose sur la modification de la deuxième loi de la mécanique (la célèbre F = m G) aux accélérations très faibles, on passerait aux faibles accélérations de la loi en 1/r2 en une loi en 1/r, r étant la distance; la force d'attraction entre deux corps ne décroît plus comme le carré de leur distance mais comme l'inverse.
Une variante MOND améliorée TeVeS (Tensor–vector–scalar gravity) est en cours de test
MOND marche pour les galaxies naines et géantes et aussi pour les galaxies naines créées par marée gravitationnelle lors de choc de galaxies. Leurs vitesses orbitales s'expliquent bien avec MOND
Cette théorie est censée expliquer le problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales que l'on expliquait jusqu'à présent avec la matière noire.
On arrive aussi a très bien simuler la formation de la galaxie des Antennes avec Mond.
De même les galaxies naines de marée sont compatibles avec la théorie MOND. . En effet la découverte de matière noire dans les galaxies naines, semble contredire la théorie standard.
Il faut continuer à procéder à des tests prouvant ou non la validité de MOND.
CONCLUSION.
Ce que l’on voit dans le ciel , les galaxies, les étoiles ne représentent que 0,3% du total de la masse/énergie de l’Univers.
La matière noire non baryonique n’a pas encore livré ses secrets.
Elle est probablement constituée de particules encore inconnues, dont l’échelle de masse peut aller sur une énorme plage, de :
10-6 eV (si ce sont des axions) à 1012 eV si ce sont des Wimps.
La modification de la gravité (MOND) pourrait aussi résoudre le problème de la matière noire.
À suivre……
POUR ALLER PLUS LOIN :
La pâle lumière de la matière noire : CR de la conférence de GF Bertone à l'IAP le 4 mars 2008
Matière et énergie noires : CR de la conf. de N Palanque Delabrouille à l’IAP le 5 Avr 2011
Un peu de lumière sur la matière noire conf ppt de F Combes pour un séminaire CEA 2005.
La matière noire dans l’Univers, présentation pdf de F Combes.
La formation des galaxies : CR de la conf. SAF de F Combes du 11 Janvier 2012
La matière noire et dynamique des galaxies : CR conf. de F Combes SAF/AFA le 15 Juin 2009.
La matière noire et peut on s'en passer : CR de la conférence de F Combes à la SAF le 26 janv 2008
Les premières galaxies de l’Univers : CR conf F Combes RCE2012 du 2 nov 2012
La matière noire par R Taillet du Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique
MOND: Time for a Change of Mind? – PAR Milgrom, Mordehai
La matière noire non baryonique, un cours par des étudiants de l’IUT de GEII de Lyon. À voir.
Dossier La matière noire chez Podcast science.
Neutralino Dark Matter in Supersymmetric Models presentation pdf par l’Université d’Oklahoma.
Mercredi 7 janvier 2015
Cours : Le problème de la matière noire : galaxies spirales
Séminaire : Masse manquante dans les galaxies proches, Rodrigo Ibata, Observatoire de Strasbourg
Mercredi 14 janvier
Cours : Le problème de la matière noire : galaxies elliptiques et naines
Séminaire : Masse manquante dans les amas de galaxies, Florence Durret, Institut d’Astrophysique de Paris
Mercredi 21 janvier
Cours : Physique des galaxies en gravité modifiée
Séminaire : Matière noire et alternatives, Luc Blanchet, Institut d’Astrophysique de Paris
Mercredi 28 janvier
Cours : Les divers modèles de matière noire
Séminaire : Détection de la matière noire, Gabriel Chardin, Astroparticules, CNRS, Paris
Mercredi 4 février
Cours : Les simulations cosmologiques de matière noire
Séminaire : Matière noire et particules, Gianfranco Bertone, GRAPPA, Amsterdam University
Mercredi 11 février
Cours : Les grands problèmes du modèle standard
Séminaire : Matière noire et lentilles gravitationnelles, Yannick Mellier, Institut d’Astrophysique de Paris
Mercredi 18 février
Cours : La matière noire dans la formation des galaxies
Séminaire : Matière noire et cosmologie, Joseph Silk, Institut d’Astrophysique de Paris, Oxford University
Mercredi 25 février
Cours : Perspectives de solution : instruments futurs
Séminaire : Matière noire et gravité modifiée, Benoit Famaey, Observatoire de Strasbourg
Les cours ont lieu les mercredis à 16h30 (ouverture le 7 janvier 2015).
Ils sont suivis d’un séminaire à 17h30
Bon ciel à tous
Jean Pierre Martin Président de la commission de cosmologie de la SAF
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